金矿废弃地人工植被恢复草本层植物群落特征

杨海裕，吕 寻，刘小林*，郑子龙，张江涛，陈瑞锋

(1.甘肃省小陇山林业实验局 林业科学研究所，甘肃 天水 741022；2.甘肃小陇山森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃 天水 741022；3.甘肃省次生林培育重点实验室，甘肃 天水 741022)

矿产开发在推动区域经济社会发展上做出了巨大贡献，同时带来的生态环境退化问题也越来越受到人们的高度重视[1-2]。矿山废弃地植被恢复与重建，能够短期内快速恢复植被，被认为是解决生态环境问题的重要措施之一[3-5]。植物物种组成和群落特征既是生态恢复与重建的基础，也是评价植被恢复成效的重要指标[6-7]。国内有关煤矿渣土场、煤矸石山等矿山废弃地植被恢复和重建的研究较多[8-9]。孔令伟等[10]对露天煤矿排土场生态修复效果的研究认为，穴铺植生袋建植技术在矿区排土场及类似区域生态修复中具有良好作用。金立群等[11]研究认为，不同恢复年限对高寒露天煤矿区渣山植被，与恢复1 a相比，恢复3 a的植被地上生物量显著增加，恢复5 a的植被高度、盖度均显著增加。杨鑫光等[12]比较分析了高寒矿区煤矸石山不同人工建植措施间的恢复效果，认为采取人工建植+覆土+施肥的组合方式，是恢复煤矸石山生态系统的有效途径。施翔等[13]研究认为物种的丰富度指数、多样性指数与群落的结构以及立地环境条件关系密切，群落结构越复杂，多样性指数越高。分析植物结构和物种多样性，对揭示植物群落稳定性和更新、演替规律具有重要意义[14]。

小陇山林区矿产开发主要以金矿、铅锌矿、铁矿为主。在经济利益驱动下，金矿被大量开采，严重影响了森林生态环境的改善和发展。随着国家对退化生态系统恢复工程的实施，林区相继开展了以金矿废弃地为主的人工植被恢复工作。不同的恢复措施使得植物群落组成、结构特征和物种多样性发生了改变[15]。已在铅锌矿废弃地植被培育和人工恢复方面有研究报道[16-17]，而对金矿废弃地植被结构和多样性特征的研究未见报道。因此，本研究利用样方法调查林区金矿废弃地不同人工恢复植被，计算反映群落特征的综合指标，分析不同人工植被恢复下草本层植物结构和物种多样性变化特征，初步筛选出适宜矿山废弃地植被恢复的乡土物种。对完善同类地区矿山废弃地植被恢复和生物多样性保护具有指导价值。

1 研究区概况

小陇山林区位于甘肃省东南部(104°23′-106°43′E、33°31′-34°41′N)，地处秦岭西段，是嘉陵江、渭河的发源地，地跨天水、陇南、定西3市8县区，总面积82.4万hm2。为我国北方典型天然次生林区和重要水源涵养区，对维护我国西北地区生态平衡有着非常重要的作用。境内以秦岭山地为主，海拔700～3 200 m，相对高差2 500 m。气候为大陆性季风气候，属暖温带湿润区。年平均气温7～12 ℃，极端高温36 ℃，极端低温-21 ℃。年平均降水600-800 mm，且分布不均匀。森林土壤以褐色土为主，pH 6.5～7.5[18]。林区有高等植物225科877属2 753种(含种下等级)。主要乔木为栓皮栎(Quercusvariabilis)、锐齿槲栎(Q.alienavar.acuteserrata)、红桦(Betulaalbo-sinensis)、白桦(B.platyphylla)、山杨(Populusdavidiana)和油松(Pinustabuliformis)等；灌木为虎榛子(Ostryopsisdaivdiana)、卫矛(Euonymusalatus)和马桑(Coriariasinica)等；草本植物为狗尾草(Setariaviridis)、野菊花(Dendranthemaindicum)和蒿属(Artemisia)等[19]。

小陇山林区于20 世纪90年代开始，所属地方对部分矿产资源进行开采，原生植被受到损毁。2010年前后，对矿山废弃地经人工表面平整、加固、削坡处理，并覆盖一定厚度的林缘土，利用日本落叶松(Larixkaempferi)、刺槐(Robiniapseudoacacia)裸根苗和油松、云杉(Piceacrassifolia)容器苗，按照一般造林标准，进行了人工植被恢复工作。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

通过资料收集和线路踏查，选择小陇山林区金矿废弃地日本落叶松+刺槐混交林、油松林、油松+云杉混交林人工植被和自然恢复植被4种类型，2020年8月，共设置了20 m×20 m乔木样方6个(表1)。每个样地内按品字形设置5 m×5 m灌木样方5个、1 m×1 m草本样方5个，即5次重复。调查记录每个样方内植物种类和数量，同时测定每个样方内植物高度、密度和盖度。草本层植物高度用钢卷尺直接测量，密度以样方内每个植物数量计算，盖度采用目测法，即样方内草本植物垂直投影面积占样方面积的比值，频度利用实测样方内某个种出现的次数计算。同时，用GPS记录调查样方的海拔和经纬度。

表1 样地基本概况Table 1 Basic survey of sample plots

2.2 群落综合指标重要值测定

物种重要值(important value,IV,公式中用IV表示)采用以下公式计算[20]：

IV=(Cr+Er+Hr+Rr)/4

(1)

式中：Cr为相对盖度；Er为相对密度；Hr为相对高度；Rr为相对频度；S为每个样方总的物种数。

2.3 物种多样性测定

群落物种多样性测定采用Margalef丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Simpson多样性指数(D)、Evenness均匀度指数(E)4个指标进行测定[20]。

R=(S-1)/lnN

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：N为S个全部物种的重要值之和；Ni为i第物种的重要值。

数据统计、图表制作和分析采用Excel 2010、SPSS 19.0完成。

3 结果与分析

3.1 草本层植物科、属、种组成

在调查的金矿废弃地植被中，共出现草本植物17科44属52种(表2)，其中以菊科15属21种、豆科5属6种、蔷薇科4属4种、伞形科4属4种为主，这4个科植物共计35种，占本群落总种的67.3%，其他科以单属单种为主。1号样地为3年生日本落叶松+刺槐人工植被，出现21种植物；5号样地为2年生油松人工植被，草本层植物种类较少。

表2 不同恢复植被草本层植物科、属、种组成Table 2 Family,genus and species composition of herbaceous layer in different vegetation restorations

3.2 物种重要值分析

计算结果表明(表3)：金矿废弃地草本层物种重要值IV>20的物种有水蒿(Artemisiaselengensis)、草木犀(Melilotusofficinalis)、野草莓(Fragariavesca)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和小果博落回(Macleayacordata)等8种，在各植物群落中重要值最大，为优势种，对植被恢复具有重要作用；IV在10～20的物种有飞蓬(Erigeronacer)、野草莓(Fragariavesca)、大火草(Anemometomentosa)、蒲公英(Taraxacummongolicum)等9种，重要值相对较大，在林下分布较集中，为主要伴生种；IV在5～10的物种有16种，IV<5的物种较多，在各植被群落中零星分布。这种植被结构仍处于自然恢复阶段。

表3 不同恢复植被草本层植物重要值Table 3 The IV of herbaceous plants in different restoration vegetations

3.3 草本层植物生长特征

不同人工植被恢复措施下，促进了金矿废弃地植被的形成，但植物生长特征变化较大(图1)。植被高度方面，与6号自然恢复样地相比，不同人工植被恢复措施没有显著提高植被高度，不同植被恢复措施间差异不显著(P>0.05)；植被密度方面，1号样地日本落叶松+刺槐，显著高于4号样地油松+云杉容器苗和5号样地油松容器苗(P<0.05)；植被盖度方面，4号样地油松+云杉容器苗，显著高于1号样地日本落叶松+刺槐、2号样地和5号样地油松容器苗(P<0.05)。与自然恢复植被相比，人工日本落叶松+刺槐和油松+云杉容器苗措施，能够提高植被密度和植被盖度。

3.4 物种多样性分析

3.4.1 不同恢复措施下物种多样性特征 物种多样性指数计算表明(表4)，4号样地油松+云杉措施的Shannon-Wiener多样性指数最高，但物种分布不均，Evenness均匀度指数最低；6号自然恢复样地，Shannon-Wiener多样性指数次之，但Margalef丰富度指数最大；1号样日本落叶松+刺槐措施，Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和Evenness均匀度指数相对较高，但Simpson多样性指数较低；2号、3号和5号样地油松容器苗恢复措施，物种多样性指数相对最低。4种不同植被恢复措施，Shannon-Wiener多样性指数由大到小表现为：人工油松+云杉、自然恢复、人工日本落叶松+刺槐、人工油松。采用人工混交造林措施，林下植物多样性增加，对植被恢复有明显促进作用。

表4 草本层植物多样性变化Table 4 Changes of plant diversity in herbaceous layer

3.4.2 不同恢复年限油松林草本层植物多样性特征 比较分析人工油松林不同恢复年限草本层植物多样性(表5)，结果显示，与恢复初期2a相比，5a时，Margalef丰富度指数、Evenness均匀度指数、Simpson多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数随油松林龄增加而增加；10 a时，随油松林龄的增加而有所下降。

表5 不同恢复年限油松林草本层植物多样性指数Table 5 Plant diversity index of herb layer in Pinus tabuliformis forests with different restoration years

2 a时，油松生长在植被恢复初期，以草木犀、野草莓、小果博落回等少数先锋物种在林下物种组成中占绝对的优势，群落Margalef丰富度指数、Evenness均匀度指数、Simpson多样性指数和Shannon-Wiener多样性指标均较低；5 a时，随着油松林生长，多数草本植物能适应林下环境，Margalef丰富度指数、Evenness均匀度指数、Simpson多样性指数和Shannon-Wiener多样性指标增大；10 a时，随着油松林进一步生长，林分郁闭度增大导致林下光照环境变化，草本层植物种间竞争加剧，林下物种数量减少，少数能够适应林下光照环境变化的草本植物物种存活下来，Margalef丰富度指数、Evenness均匀度指数、Simpson多样性指数和Shannon-Wiener多样性指标有所降低。

4 结论与讨论

小陇山林区金矿废弃地通过人工植被恢复后，物种丰富度和多样性指数增加，植被以菊科、豆科、蔷薇科、伞形科植物为主，天然更新乔木和灌木出现很少。群落结构简单，植被恢复较慢。不同恢复年限油松林下草本层植物Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指标和Evenness均匀度指数变化随油松林生长年限的增加变化一致，5 a时多样性指标随油松林龄增加而增加，10 a时随油松林龄增加开始下降，优势度指数变化则相反。人工植被恢复后，形成了不同的植被型，水蒿在金矿废弃地植被群落中占绝对优势，紫花苜蓿、大火草和牛尾蒿为主要伴生种，这些种对严酷环境的适应性较强，可作为植被恢复的先锋物种。营造人工日本落叶松+刺槐和油松+云杉混交林，能有效提高金矿废弃地草本层植物Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指标。

矿山废弃地表面裸露，原有群落生物多样性被破坏，短期内难以形成植被，采取人工恢复措施，能够对群落物种组成和结构产生不同的影响[12]。人工植被恢复后，形成了以菊科植物水蒿、牛尾蒿、飞蓬，豆科植物草木犀和毛茛科植物大火草为优势种的植物群落。植物群落结构不仅能反映植物群落特征，同时也能体现出植物群落所在生境条件[21]。本研究区共出现草本植物种52种，分属17科44属，物种构成表现为单科单属较多，物种组成简单。因受环境条件限制，金矿废弃地零星出现青麸杨(Rhuspotaninii)、白桦、青皮槭(Acercappadocicum)等野生乔木和红泡刺藤(Rubusniveus)、葱皮忍冬(Loniceraferdinandii)、美丽胡枝子(Lespedezaformosa)、陕西荚蒾(Viburnumschensianum)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)、悬钩子(Rubuscorchorifolius)等灌木物种。这种结构和党荣理等[22]关于西北荒漠地区植物区系研究结果基本一致。

安俊珍[23]研究了植被恢复对土壤理化性质的改良作用，确定了刺槐等植被恢复物种和乔灌草结合的配置模式，同时对野蒿测定了重金属含量，认为蒿类植物对重金属富集能力最强。本研究也证实了采用人工日本落叶松+刺槐和油松+云杉混交林，能有效提高金矿废弃地林下草本层植物物种和多样性，对矿山废弃地植被恢复起到了促进作用。本研究还发现，不同生长年限的油松林草本层植物Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指标和Evenness均匀度指数随油松林生长的变化特征，与崔静等[24]在黄土丘陵区人工柠条林下草本植物物种多样性研究结果相一致。因为物种多样性的增加主要是由于人工恢复措施的长期作用改善了林下小环境，促进了新物种增加，使群落物种丰富度和多样性升高[25]。在生长初期，油松林分郁闭度较小，林下光照充足，为大量草本植物生存提供了适宜的空间，喜光性草本植物大量入侵，故草本层物种多样性较高；随着油松林生长，林分郁闭度增大，喜荫性植物出现，喜光性植物减少，种内竞争导致物种多样性减少，与王国梁等[26]在黄土沟壑区的植被恢复研究结果基本一致。

研究结果将对矿山废弃地植被恢复物种选择和配置模式提供依据。受条件所限，本研究仅从群落综合指标重要值和多样性指数方面进行了表征。不同恢复措施对土壤理化性质的影响和植被群落的演替还需持续研究。